View of Napoiny z nadstopu Haynes 625 na ścianach szczelnych ze stali 16Mo3; Padding welds of Haynes 625 superalloy on the sheet pile walls made of 16Mo3 steel

15

Przegląd  sPawalnictwa 8/2014

Napoiny z nadstopu Haynes

®

625

na ścianach szczelnych ze stali 16Mo3

Padding welds of Haynes

®

_{625 superalloy}

on the sheet pile walls made of 16Mo3 steel

Grzegorz Golański

Maciej Lachowicz

Jacek Słania

Joanna Kępa

Piotr Marszałek

Dr hab. inż. Grzegorz Golański – Politechnika Częstochowska, dr inż. Maciej Lachowicz – Politechnika wrocławska, dr hab. inż. Jacek Słania, prof. PCz – Politechnika Częstochowska, mgr inż. Joanna Kępa – Politechnika Częstochowska, inż. Piotr Marszałek – Sefako S.A.

Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek_slania@poczta.onet.pl

Wstęp

wymogi zachowania bezpieczeństwa energetycz-nego oraz zagadnienia ekonomiczne produkcji energii elektrycznej (obniżenia kosztów jej wytwarzania) wy-magają zastosowania w energetyce paliw alternatyw-nych – biomasy, śmieci, odpadów itp. Stosowanie no-wych paliw podyktowane jest również ograniczeniem emisji CO2 do atmosfery przy dążeniu do zachowania

wysokiej sprawności bloków energetycznych. współ-spalanie paliwa z biomasy z odpadami, czy też śmie-ciami w kotłach przemysłowych skutkuje tworzeniem

się w spalinach bardzo agresywnych chlorków, czy też fluorków, co prowadzi do bardzo intensywnej korozji wysokotemperaturowej [1, 2]. wysoka temperatura oraz chemicznie agresywne spaliny wymagają odpo-wiednich zabezpieczeń stykających się z nimi elemen-tów kotłów. Jednymi z najbardziej narażonych na dzia-łanie agresywnego środowiska korozyjnego są rury wymienników ciepła.

Jedną z metod zwiększenia trwałości elementów ko-tłów najbardziej narażonych na korozję jest napawanie powłok na bazie stopów (nadstopów) niklu. nadstopy ni-klu charakteryzują się bardzo wysokimi właściwościami

Streszczenie

w pracy przedstawiono badania mikrostruktury i wła-ściwości mechanicznych napawanej rury ze stali 16Mo3 nadstopem na bazie niklu Haynes® _{625. napoina}

napa-wana była metodą MIG (131). Przeprowadzone bada-nia makro– i mikroskopowe wykazały prawidłową budo-wę napoiny bez niezgodności spawalniczych. Badana napoina charakteryzowała się budową dendrytyczną o kryształach pierwotnych narastających w kierunku od-prowadzania ciepła. wykazano, że zawartość żelaza w strefie przypowierzchniowej nie przekracza 7%, a samo połączenie stal/nadstop wykazuje wyższe właściwości niż łączone materiały.

Słowa kluczowe: napawanie, napoina, badanie

niszczące, stop niklu

Abstract

Examinations of a microstructure and mechani-cal properties of a nickel superalloy Haynes® ₆₂₅

pad-ding weld made by MIG (131) method on the surface of a steel pipe 16Mo3 were taken. Macro and microscopic examinations showed a proper structure of a padding weld without any welding discrepancies. Examined pad-ding weld was characterised by a dendrite structure with the primary crystals growing up to the heat abstraction. It was proved that the content of iron in the surface area does not exceed 7%, and a combination of steel/superal-loy shows the highest properties in comparison to joined components.

Keywords: surfacing by welding, surfacing weld,

16

użytkowymi w ekstremalnie trudnych warunkach eks-ploatacyjnych, do których możemy zaliczyć m.in.: możli-wość pracy w sposób ciągły w temperaturze do 1250 °C, przy zmiennych i dynamicznych obciążeniach oraz w bardzo agresywnym środowisku korozyjnym gazów, związków siarki, azotu i węgla [2, 3].

Technologia napawania elementów kotła nadstopa-mi niklu na skalę przemysłową jest stosunkowo nowa, co wymaga kompleksowych badań mających na celu zapoznanie się z wpływem powyższego procesu na uzyskanie wysokiej jakości napoin spełniających wy-magania odbiorców. w pracy przedstawiono ocenę mikrostruktury i właściwości mechanicznych napoiny – nadstopu niklu Haynes® _{625 napawanego na stal}

16Mo3 (16M).

Materiał i metodyka badań

Badania przeprowadzono na odcinku rury ze stali 16Mo3 (16M) napawanej stopem Haynes® ₆₂₅

meto-dą MIG (131). wymagany skład chemiczny oraz wła-ściwości mechaniczne napawanego nadstopu niklu przedstawiono odpowiednio w tablicach I i II.

Badania mikroskopowe wykonano na konwencjo-nalnie przygotowanych zgładach metalograficznych. Zgłady trawiono dwustopniowo: materiał podłoża stal – nitalem (Mi19Fe), napoina – trawienie elektrolityczne w odczynniku ML3. Parametry prądowo-napięciowe elektrolitycznego trawienia napoiny przedstawiono m.in. w pracach [4, 5]. Obserwację i rejestrację obra-zów mikrostruktur prowadzono za pomocą mikrosko-pu świetlnego Axiovert 25 (LM) oraz skaningowego mikroskopu elektronowego JOEL JSM 5800LV (SEM). Pomiar mikrotwardości metodą Vickersa wykonano za pomocą mikrotwardościomierza Future-Tech FM-7, stosując obciążenie wgłębnika 100 g (0,91 n).

Co Fe Cr Mo nb + Ta Mn Si Al Ti C

max 1 max 5 20÷23 8÷10 3,15÷3,75 max 0,50 max 0,50 max 0,40 max 0,40 max 0,10

Temperatura, o_{C UTS, MPa YS, MPa El., %}

pokojowa 905 490 48.5

650 760 370 55.6

Tablica I. wymagany skład chemiczny nadstopu Haynes® _{625, % mass. (ni )}

Table I. A required chemical composition of Haynes niCro625 superalloy, % mass. (ni balance)

Tablica II. Minimalne wymagane właściwości mechaniczne nadstopu Haynes niCro625* w temperaturze pokojowej i 650 °C

* – stop po przeróbce plastycznej na zimno i wyżarzaniu w temperaturze 1050 °C

Table II. Minimal required mechanical properties of Haynes niCro625* superalloy in the room temperature and in 650 °C

* – superalloy after cold working and annealing in 1050 °C

Do analizy zawartości żelaza na powierzchni napo-iny wykorzystano skaningowy mikroskop elektronowy JOEL JSM 6610LV współpracujący ze spektrometrem rentgenowskim EDS Oxford Instruments X – Max.

Do badania przyczepności warstwy napawanej uży-to urządzenia Revetest XPress Plus (Scratch Test), stosując diamentowy wgłębnik Rockwella. Test ten wy-konano przy zastosowaniu następujących parametrów: zadane obciążenie 20, 35 i 50 n; długość zarysowania 3 mm; prędkość zarysowania 1 mm/min.

Badania makroskopowe

Badania makroskopowe napoiny nie wykazały nie-zgodności w linii wtopienia, nie obserwowano również przyklejeń, pęcherzy ani innych nieciągłości. Brak nie-zgodności spawalniczych na powierzchni wskazuje na zachowanie czystości powierzchni napawanej rury.

Makrostrukturę badanej napoiny przedstawiono na rysunku 1. Określona grubość napoiny (napawanej na powierzchnię rury powłoki) nie przekraczała 3 mm. Jest to wartość nieznacznie wyższa od uznawanej za optymalną 2,5 mm [6], co związane jest z ceną sto-pów niklu, a z drugiej strony z różnicą w przewodności cieplnej stopów niklu i żelaza. napoina napawana była jednowarstwowo.

Rys. 1. Zgład makroskopowy badanego elementu Fig. 1. Metallographic specimen of an examined element

17

Przegląd  sPawalnictwa 8/2014

Badania mikroskopowe

Materiał podłoża – stal 16Mo3 charakteryzowała się typową dla tego gatunku stali mikrostrukturą ferry-tyczno – perlityczną (rys. 2a). w strefie wpływu ciepła (SwC) obserwowano zróżnicowaną mikrostrukturę: od martenzytycznej przez martenzytyczno – bainityczną do ferrytyczno – bainitycznej (rys. 2b). wąska SwC w materiale podłoża wskazuje na zastosowanie wymu-szonego wewnętrznego chłodzenia rury.

napoina charakteryzowała się prawidłowym połą-czeniem z materiałem podłoża. Obserwowano krysz-tały pierwotne o charakterystycznej budowie den-drytycznej, narastające do powierzchni rury zgodnie z kierunkiem odprowadzania ciepła (rys. 3).

Jednym z warunków dopuszczenia technologii napa-wania rur wymienników ciepła w spalarniach odpadów

Rys. 2. Mikrostruktura stali 16Mo3: a) materiał rodzimy, b) strefa wpływu ciepła Fig. 2. A microstructure of 16Mo3 steel: a) base material, b) heat-affected zone

jest ocena zawartości żelaza w warstwie powierzchniowej napoiny [7]. Zaleca się, aby w warstwie napoiny napawa-nej automatem zawartość żelaza nie przekraczała 7%, natomiast metodą spawania ręcznego 10%. wyższa za-wartość żelaza może powodować tworzenie tlenków że-laza Fe2O3, charakteryzujących się warstwową i nieciągłą

budową, co sprzyja ich wykruszaniu w czasie eksploata-cji [7, 8]. Badania wykazały w badanej napoinie średnią zawartość żelaza na poziomie 3,7÷6,4%. Przykładowe widmo promieniowania rentgenowskiego (X-ray) napoiny w warstwie przypowierzchniowej przedstawiono na ry-sunku 4. Jednym z istotnych czynników wpływających na wymaganą zawartość żelaza w warstwie przypowierzch-niowej jest energia liniowa łuku, która nie powinna prze-kraczać 3 kJ/cm, jak również wewnętrzne wymuszone chłodzenia zapewniające właściwy odbiór ciepła [9, 10].

Rys. 3. Mikrostruktura napawanej warstwy w linii wtopienia: a) LM; b) SEM Fig. 3. A microstructure of a pad welded layer in the line of a fusion: a) LM; b) SEM

Rys. 4. widmo promieniowania rentgenowskiego (X-ray) napoiny w warstwie przypowierzchniowej (a); obszar wykonania analizy (b) Fig. 4. X-ray spectrum of a padding weld in a surface layer (a); an area of making an analysis (b)

18

Pomiar mikrotwardości

Rozkład mikrotwardości na przekroju napawanej rury przedstawiono na rysunku 5. Można zaobser-wować, że stal – materiał podłoża charakteryzuje się twardością na poziomie ok. 210÷220 HV0,1; obecność w SwC martenzytu powodowała wzrost twardości do wartości ok. 360 HV0,1; mikrotwardość napoiny wyno-siła ok. 260 HV0,1.

Rys. 5. Rozkład mikrotwardości HV0,1 na przekroju napawanego

elementu, gdzie: MR – materiał rodzimy, HAZ – strefa wpływu ciepła, niA – stop niklu

Fig. 5. An arrangement of microhardness HV0.1 on an element

of a padding weld section, where MR stands for a base material, HAZ is a heat-affected zone, niA is a nickel alloy

Test zarysowania – Scratch Test

Przykładowy wykres uzyskany w teście zarysowania przedstawiono na rysunku 6. Badania za pomocą Scratch

Test pozwoliły na określenie współczynników tarcia,

głę-bokości zarysowania oraz sił tarcia dla napoiny i materiału podłoża (stali), a także wykazały, że połączenie stal/nad-stop niklu wykazuje wyższe właściwości niż właściwości łączonych materiałów.

Rys. 6. wyniki uzyskane w teście zarysowania dla zadanej siły 50 n Fig. 6. The results obtained in the Scratch Test for a preset of 50 n force

Wnioski

Przeprowadzono badania mikrostruktury i właści-wości mechanicznych napoiny z nadstopu niklu Hay-nes® _{625 naniesionej metodą MIG na powierzchnię}

rury ze stali 16Mo3. wykazano, że zastosowane pa-rametry napawania zapewniają uzyskanie połącze-nia nadstop/stal bez niezgodności spawalniczych, o wymaganej zawartości żelaza (nieprzekraczającej

7%) na powierzchni napoiny, wąskiej SwC oraz wy-sokich właściwościach określonych za pomocą testu zarysowania (Scratch Test). Jedynym stwierdzonym zastrzeżeniem była grubość napoiny wyższa o ok. 20% od zalecanej, niemniej jednak istnieje możli-wość wykonywania napoiny o wymaganej jakości na rurze wymiennika ciepła.

Literatura

[1] Uussitalo M. A., Vuoristo P. M. J., Mantyla T. A.: High tem-perature corrosion of coatings and boiler steels in reducing chlorine – containing atmosphere, Surf. Coat., Technol., 161, 2002, 275-285.

[2] Adamiec J., Kierzak A.: Padding of the components of waste combustion boilers with the use nickel alloys, Inżynieria Ma-teriałowa, 4, 2008, 380-385.

[3] Mikułowski B.: Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe – nad-stopy, wyd. AGH, Kraków 1997.

[4] Haynes 625 alloy – High temperature alloys, Haynes Inter. Publ., 2001.

[5] Lachowicz M.: Microstructure analyses of the padding layers on superalloy Inconel 713C, Inzynieria Materiałowa, 4, 2011, 525-528.

[6] Lachowicz M., Dudziński w., Podrez-Radziszewska M.: TEM observation of the heat affected zone in electron beam welded superalloy Inconel 713C, Mater. Charact., 59, 2008, 560–566.

[7] Rozmus-Górnikowska M., Blicharski M., Kusiński J., Paćko M., Kusiński L., Marszycki M.: Influence of boiler pipes clad-ding methods on their microstructure and properties, Hutnik – wiadomości Hutnicze, 4, 2012, 260-266.

[8] Lippold J. C., Kimur S. D., DuPont J. n.: welding Metallurgy and weldability of nickel-Base Alloys, wiley Publ. 2009. [9] Adamiec P., Adamiec J.: Aspects of pad welding of waste

incineration boiler elements with Inconel 625 and 686 alloys, Przegląd Spawalnictwa, 5-6, 2006, 11-14.

[10] Adamiec J.: Surfacing by welding elements of furnace for waste material burning using nickel alloys, in Materials and technology for construction of supercritical boilers and waste plants, ed. A. Hernas, SITPH Publ., Katowice, 2009, 294-315.